納米導(dǎo)熱復(fù)合蓄冰盤管換熱研究

梁利霞，朱好仁，周小波（杭州國電能源環(huán)境設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310030）

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納米導(dǎo)熱復(fù)合蓄冰盤管換熱研究

梁利霞，朱好仁，周小波
（杭州國電能源環(huán)境設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310030）

摘要：本文建立了納米導(dǎo)熱復(fù)合蓄冰盤管的換熱模型，研究其制冰過程中顯熱蓄冷階段和潛熱蓄冷階段溫度的變化情況，同時(shí)結(jié)合上海某項(xiàng)目的測試結(jié)果，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)冰蓄冷系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：納米導(dǎo)熱復(fù)合蓄冰盤管；顯熱蓄冷；潛熱蓄冷；

0　引言

導(dǎo)熱復(fù)合蓄冰盤管用于冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)，其工作原理是在夜間利用制冷機(jī)制冷并將冷量以冰的形式蓄存在該設(shè)備中，日間冰融化釋放出冷量來提供空調(diào)負(fù)荷。與普通中央空調(diào)相比，它可以平衡電網(wǎng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電力“移峰填谷”；利用電力峰谷差價(jià)，節(jié)約空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用；利用冰融化時(shí)產(chǎn)生的低溫冷凍液，實(shí)現(xiàn)低溫送風(fēng)，改善空調(diào)品質(zhì)[1]。蓄冰裝置是冰蓄冷系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，因此蓄冰裝置的性能是否良好，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行具有重要的意義。本文對(duì)一種納米導(dǎo)熱復(fù)合蓄冰盤管進(jìn)行建模并開展換熱情況研究，同時(shí)結(jié)合工程測試進(jìn)行對(duì)比分析。

1　數(shù)學(xué)模型

盤管蓄冰裝置通常由多組盤管組成，其中相鄰兩組盤管排列如圖1和圖2所示，其中盤管A為上進(jìn)下出，盤管B為下進(jìn)上出，即相鄰兩根盤管內(nèi)乙二醇溶液的流向相反，這樣能保證蓄冰裝置換熱均勻，蓄冰槽內(nèi)各處的結(jié)冰均勻。

為了簡化問題，對(duì)結(jié)冰過程作如下假設(shè)[2]：

1）盤管壁材料、水和冰的物理參數(shù)均視為常數(shù)；

2）盤管外壁與固液兩相界面之間為同心圓環(huán)，可按純導(dǎo)熱計(jì)算冰環(huán)的傳熱；

盤管制冰分為兩個(gè)階段，首先是蓄冰槽內(nèi)水的顯熱降溫階段，其次是結(jié)冰階段也就是潛熱蓄冷階段。盤管的長度比管徑大得多，可認(rèn)為軸向?qū)岷苄?，可將多維問題簡化為一維（徑向）問題。因此，將盤管沿乙二醇溶液的流動(dòng)方向分成n個(gè)小段，在每個(gè)小段上進(jìn)行傳熱分析和能量平衡分析。

1.1顯熱蓄冷階段

顯熱蓄冷階段，此階段盤管外壁的水溫逐漸降低，微元段的換熱過程主要分為三部分，首先是管內(nèi)低溫乙二醇和盤管內(nèi)壁的對(duì)流換熱過程，然后是盤管本身的導(dǎo)熱熱阻，最后是盤管外壁和水的對(duì)流換熱過程。

下面建立盤管顯熱蓄冷過程各個(gè)階段的熱阻的數(shù)學(xué)模型，求出蓄冰槽的進(jìn)、出口溫度和載冷劑流量之間的關(guān)系。微元段顯熱蓄冷過程的傳熱示意圖及熱阻數(shù)學(xué)模型如圖3和圖4所示。

1）乙二醇溶液與盤管內(nèi)壁的對(duì)流換熱熱阻Rb，i：盤管內(nèi)壁與管內(nèi)載冷劑的對(duì)流換熱系數(shù)ab：

盤管內(nèi)壁與管內(nèi)乙二醇溶液的對(duì)流換熱熱阻Rb，t= （2πabrins）-1

式中 ρb—載冷劑（質(zhì)量比25%的乙二醇水溶液）的密度，kg/m3；

Cp，b—載冷劑的比熱，J/kg℃；

μb—載冷劑的動(dòng)力粘度，kg/（m·s）；

λb—載冷劑的熱導(dǎo)率，；

vb—載冷劑流體的速度，m/s。

2）盤管壁的導(dǎo)熱熱阻Rt，i：

式中 λt—盤管的熱導(dǎo)率，W/（m·K）；

s—微元段長度，m；

rout—盤管外徑，m；

rin—盤管內(nèi)徑，m。

3）盤管外壁與水的對(duì)流換熱熱阻Rw，t：

盤管外壁與水的換熱系數(shù)

其中，瑞利數(shù)Ra：

式中 β—體積膨脹系數(shù)，取0.84×10-4（K-1）；

g—重力加速度值，取9.80665m/s2；

Tt—盤管外壁的平均溫度，K；

ρw—水的密度，kg/m3；

Cp，w—水的比熱，J/kg℃；

μw—水的動(dòng)力粘度，kg/（m·s）；

λw—水的熱導(dǎo)率，W/（m·K）。

則盤管外壁與水的對(duì)流換熱熱阻Rw，bare，i=（2πaw，barerouts）-1

結(jié)冰過程剛開始時(shí)，盤管外壁沒有結(jié)冰，總換熱系數(shù)UAbare，i：

微元段盤管中載冷劑與管外水層的換熱量Qcoil，i：

式中 Tw—蓄冰槽內(nèi)的水溫，K。

微元段盤管中載冷劑與盤管外壁換熱系數(shù)UAtbare，i：

微元段盤管中載冷劑與盤管外壁的換熱量Qtcoil，i：

4）第i微元段的出口溫度Tout，i：

式中 mb—盤管內(nèi)的乙二醇溶液的體積流量，m3/s；

τ—時(shí)間段，s。

5）蓄冰槽的出口溫度Tout：

對(duì)于下一微元段（i+1）來說，其進(jìn)口溫度等于上一段微元段盤管的出口溫度：

已知蓄冰槽的進(jìn)口溫度Tin，通過迭代計(jì)算便可求蓄冰槽的出口溫度Tout。

1.2潛熱蓄冷階段

隨著降溫過程的持續(xù)，盤管外壁逐漸開始結(jié)冰，因此整個(gè)換熱過程進(jìn)入前熱蓄冷階段，該階段的換熱過程同樣包括三個(gè)過程，其中乙二醇與盤管內(nèi)壁的對(duì)流換熱熱阻和盤管本身的導(dǎo)熱熱阻，與顯熱蓄冷降溫階段一樣，其計(jì)算方法也完全相同。而盤管外壁由于開始形成冰環(huán)，因此需考慮冰層的導(dǎo)熱熱阻。

下面建立盤管潛熱蓄冷過程各個(gè)階段的熱阻的數(shù)學(xué)模型，求出蓄冰槽的進(jìn)、出口溫度和載冷劑流量之間的關(guān)系。微元段潛熱蓄冷過程的傳熱示意圖及熱阻數(shù)學(xué)模型如圖5和圖6所示。

1）冰層的導(dǎo)熱熱阻Rice，i：

式中rrice，i—某時(shí)刻冰層的半徑，m；

λice—冰層的熱導(dǎo)率，W/（m·K）。

總換熱系數(shù)潛熱蓄冷階段換熱系數(shù)與換熱面積之積UAlat，i：

微元段盤管中載冷劑與管外水層的換熱量Qcoil，i：

熱平衡方程：

隨著蓄冷過程的進(jìn)行，盤管外壁開始結(jié)冰，冷量以冰的潛熱的形式儲(chǔ)存起來，則熱平衡方式如下：

式中hice—冰的融解潛熱，J/kg；—前一時(shí)間段的冰層半徑，m；—該時(shí)間段的冰層半徑，m。

則冰層厚度隱式方程為：

2）第i微元段的出口溫度Tout，i：

3）蓄冰槽的出口溫度Tout：

對(duì)于，下一微元段（i+1）來說，其進(jìn)口溫度等于上一段微元段盤管的出口溫度：

已知蓄冰槽的進(jìn)口溫度Tin，通過迭代計(jì)算便可求蓄冰槽的出口溫度Tout。

表1　盤管計(jì)算物性參數(shù)數(shù)值

3　數(shù)值計(jì)算

根據(jù)某時(shí)刻進(jìn)入制冷主機(jī)的乙二醇溫度和流量，模擬求出制冷機(jī)蒸發(fā)器出口乙二醇溫度T′out，然后，由此出口溫度作為蓄冰裝置的入口溫度，通過蓄冰裝置換熱模型，可以得到此時(shí)刻蓄冰裝置的性能參數(shù)以及出口溫度，以此溫度作為下一時(shí)刻制冷主機(jī)的入口溫度，如此循環(huán)計(jì)算直至蓄冰結(jié)束，程序框架如圖7所示。

4　工程測試與對(duì)比分析

以上海某項(xiàng)目選用的納米導(dǎo)熱復(fù)合盤管進(jìn)行計(jì)算模擬，得到制冰過程中各個(gè)階段的換熱情況，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，盤管外型參數(shù)：長5060mm（L）×寬3324 mm （W）×高2616 mm（H），設(shè)計(jì)蓄冰量為715RTh。

項(xiàng)目夏季尖峰冷負(fù)荷為5780 kW，空調(diào)系統(tǒng)24h使用，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)采用主機(jī)上游串聯(lián)單循環(huán)內(nèi)融冰流程，采用部分蓄冰模式，配兩臺(tái)雙工況制冷主機(jī)和一臺(tái)基載冷水主機(jī)，夜間低谷電時(shí)段（22時(shí)-次日6時(shí)），雙工況主機(jī)開啟制冰工況，夜間負(fù)荷由基載主機(jī)承擔(dān)。系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

系統(tǒng)運(yùn)行冰蓄冷工況，相應(yīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開關(guān)到位，雙工況制冷主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行制冰，乙二醇泵與主機(jī)一對(duì)一啟動(dòng)或關(guān)機(jī)。由于制冷主機(jī)的冷卻水溫度越低主機(jī)的能效比越高，參考當(dāng)日的濕球溫度，自控系統(tǒng)控制冷卻水溫度28℃，冷卻塔風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)控制根據(jù)冷卻塔出口溫度（制冷主機(jī)冷凝器進(jìn)口溫度）開啟或關(guān)閉，以免多開冷卻塔造成能量浪費(fèi)。冷卻水泵與冷卻塔一對(duì)一啟動(dòng)或關(guān)機(jī)。

蓄冷過程中蓄冰盤管進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示。

5　結(jié)語

該模型模擬了盤管顯熱降溫和潛熱降溫過程，模擬結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果比較一致，說明理論計(jì)算能較好地模擬納米導(dǎo)熱復(fù)合材料的實(shí)際換熱情況。該模型可用于指導(dǎo)蓄冰盤管的選型設(shè)計(jì)。

納米導(dǎo)熱復(fù)合盤管是一種高效蓄冰裝置，由于其材料的特殊性，因此具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，對(duì)制冰過程的換熱具有顯著的強(qiáng)化作用，制冰結(jié)束主機(jī)溫度不低于-5.5℃，有利于提高主機(jī)的效率及延長主機(jī)的壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]方貴銀.蓄冷空調(diào)工程實(shí)用新技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2000

[2] Weikun Zhou，Junkai Zhou，Guobang Chen. Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of Conductive Plastic Ice-on-coil[A]．Cryogenics and Refrigeration-Proceedings of ICCR’2003.Iniernational academic publisher’s world publishing corporation，2003.

修回日期：2016-01-26

Heat Transfer Research on Nano-composite Ice- On-Coil

LIANG Li-xia，ZHU Hao-ren，ZHOU Xiao-bo
（Hangzhou Guodian Institute of Electric Energy and Environmental Design，Hangzhou 310030，China）

Abstract：The heat transfer model of Nano-composite Ice- On-Coil is established in this paper. The changes of the temperature in sensible heat storage stage and latent heat storage stage during ice-making process are studied. The accuracy of the mode is verified by the testing results of a project in Shanghai，which can help the selection of design of ice storage system.

Key words：Nano-composite Ice- On-Coil；sensible heat storage；latent heat storage

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：梁利霞（1982-），女，山西人，碩士，工程師，從事蓄能空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)研究工作。

中圖分類號(hào)：TU831

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-3429（2016）01-0077-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.018